Transcript SCAN BACK - 東京大学素粒子物理国際研究センター

OPERA
Oscillation Project with Emulsion-t
Racking
長縄
直崇 Apparatus
（名古屋大 Ｆ研）
名古屋大 長縄直崇 icepp スキー 2013
私は何者
E653 800GeV p, 650GeV/c π（実物は後ろに）
私の心を盗んだ原子核乾板
原子の存在？
素粒子飛跡1本1本、反応点が見えてしまう
現代版 原子論、分子論 世界が粒子でできていることを納得させてくれた。
原子核乾板に魅了されてOPERAの立ち上げ（原子核乾板・鉛）を担当。
その後、高感度原子核乳剤の開発をしてきた。
私は何者
私の心を盗んだ原子核乾板
原子の存在？
素粒子飛跡1本1本、反応点が見えてしまう
現代版 原子論、分子論 世界が粒子でできていることを納得させてくれた。
原子核乾板に魅了されてOPERAの立ち上げ（原子核乾板・鉛）を担当。
その後、高感度原子核乳剤の開発をしてきた。
去年の6月、自分の中でOPERA熱が高まり、戻ってきた。
OPERAの目的
ニュートリノ振動の決定的証拠、
振動後のニュートリノを検出する。
nm  nt 振動後のnt を直接つかまえる。
CNGS （Baseline 732 km、＜Eν＞17GeV）
n μ  nτ  ~ sin
P　2
2 23   sin
2
L

2
1
.
27


m

23

 ~ 1 .7 %
E

LNGS
* Interaction rate at LNGS
< En > ( GeV )
(ne + ne) / nm
nm / nm
nt prompt
Covers the region indicated by
Super-K, K2K & MINOS
17
0.89, 0.06 %
2.1 %
Negligible
For 22.5x1019 POT → Expected Events 7.6 Signal, 0.7 Background
Ref: New Journal of Physics 14(2012)033017
5
OPERA用 原子核乾板
最小電離粒子に感度を持たせた写真フィルム
現像前、現像後の原子核乾板（OPERA film）
6
断面（電顕写真）
44μm 乳剤層
210μm プラスチックベース
44μm 乳剤層
7
片面の乳剤層
片面の乳剤層、拡大像
200nm
AgBr結晶の電顕写真
8
最小電離粒子飛跡
M.I.P.
10GeV π~30 developed silver grains / 100 mm M.I.P. track
Fog
20μm
A compton track
9
“Refresh” 機能
製造直後～Detector建設までに蓄積する宇宙線を消すために
リフレッシュ処理を開発（加湿により人工的に潜像退行を加速）
リフレッシュせずに現像
リフレッシュ後に現像
（30℃ Relative humidity 98% 3days）
10
OPERA target and detector – ECC Emulsion Cloud Chamber
ECC
7.5cm
12.5cm
OPERA emulsion film
8.3kg
10X0
10cm
Neutrino Beam
(vertical for films)
12.5cm
Lead plate : 1mm
10cm
Stack of
57 emulsion films,
56 lead plates
(10X0)
nt CC Detection
t Decay mode
Short flight decay
nt
Kink
Decay point
IP
Trident
t
t- → e-
17.8 ％
t- → μ-
17.4 ％
t- → h-
49.5 ％
t- → h- h- h+
15.2 ％
Primary
vertex
Impact Parameter distribution
1mm Pb
nt events (MC) (Mean 104.3 mm)
NC+CC nm events (MC)
NC+CC nm events (Data)
Long flight decay
nt
Decay point
IP
t
Primary
vertex
1mm Pb
10 mm ↔
(ct = 87mm)
Main background source
崩壊
nm
nm
c
Pb
film
① charm崩壊事象
衝突
m
h
Pb
film
② ハドロン衝突事象
① t 粒子と同じ程度の寿命を持つCharm粒子の崩壊
② ハドロンが鉛中の原子核と衝突を起こす2次反応
崩壊
h
nt
t
Pb
film
Signal: t崩壊事象
13
15万ユニットのECC 1.25 kton OPERA検出器
2008年 7月 完成
地下1400m （グランサッソ研究所）
ν
人
14
ECC
ν
15
ECC
Target Tracker (TT)
（プラスチックシンチレーター）
ν
16
ν
Emulsion - Electronic Hybrid Detector
Emulsion +
Target Tracker
Muon
spectrometer
17
解析の流れ
18
ECCの取り出し・・・BMS（Brick Manipulator System）
約30個/日 取り出し
19
ECC と CS
Changeable
Sheet (CS)
Two films
Easily detached
CSのみ現像
Neutrino Beam
20
Flow of analysis
extraction
?
ν
ECC
21
原子核乾板飛跡読み取り装置S-UTS
（光学顕微鏡システム）
22
飛跡認識アルゴリズム
断層映像の取り込み
３次元顕微鏡画像情報の取得
×
16層
分割
100
乳剤層片面
×
44mm
３次元情報を光学顕微鏡下での
断層映像として取り込む
（深さ方向に焦点深度程度のデジタイズ）
23
飛跡認識アルゴリズム
画像処理
３次元顕微鏡画像情報の取得
×
100
乳剤層片面
×
44mm
３次元情報を光学顕微鏡下での
断層映像として取り込む
（深さ方向に焦点深度程度のデジタイズ）
本物はHit layer 数多い
24
Scanning room @Nagoya University
5S-UTS
25
Scanning：日本ｖｓ欧州の連合チームで半々
Japanese Scanning System (SUTS)
Scanning speed:
75cm2/h
High speed CCD
camera (3 kHz)
Piezo-controlled
objective lens
European Scanning System（ESS)
Scanning speed:
20cm2/h
Customized commercial
optics and mechanics
asynchronous DAQ software
FPGA Hard-coded algorithms
26
CS1枚から読み出された飛跡
~ 108 tracks / film
10cm
12.5cm
27
CSでの確認→ECC本体現像（＠GranSasso）
自動現像装置 ～20 反応/日 現像
28
Scanning 前の準備
29
30
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
飛跡なし
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
飛跡なし
ここに反応点があるはず
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
飛跡なし
ここに反応点があるはず
CS → ECC → 反応点近傍
(SCAN BACK)
ECC
CS
5 mm
全飛跡を読み取る
Stopping plateの周り 1cm2 ×10plate (~105 Tracks) volume
scan
3D Reconstruction of interaction
42
4plate以上つながるTrackのみ表示
43
Stop点近傍の体積を貫通するtrackを除去、飛跡が収束する点
 n反応点
付随する収束しない飛跡・・・decay 候補  tか・・・？
44
5 years’ exposure finished on Dec 3, 2013
Year
P.O.T. (1019)
2008
1.78
2009
3.52
2010
4.08
2011
4.75
2012
3.85
Total
17.94
20 % less than
the proposal value 22.5 E19
Expected number of appeared tau to be
detected is ~ 5, BG~0.5 (preliminary)
シンチレーターでn反応である
こと及び発生場所を推測
ECC（+CS）取り出し
CSスキャン終了
CSの解析結果（ECC現像要求）
SCANBACK 終了
反応点探索
解析の進行状況
（2013 1月末までの状況）
Events for decay
search
（見つかった反応点）
Expected
nt
(Preliminary)
Observed
nt
Candidates
Expected
BG for nt
(Preliminary)
n2012（2012年
6月）発表にお
ける統計
4126
2.1
2
0.2
2013年1月末
までの統計
5675
～3
～0.3
解析の進行状況
（2013 1月末までの状況）
Events for decay
search
（見つかった反応点）
Expected
nt
(Preliminary)
Observed
nt
Candidates
Expected
BG for nt
(Preliminary)
n2012（2012年
6月）発表にお
ける統計
4126
2.1
2
0.2
2013年1月末
までの統計
5675
～3
これまでの公式発表
それ以降
～0.3
解析結果は
物理学会 2013春
報告予定。
nm  nt oscillation search
First nt candidate
Decay vertex: t- h 0 nt
top view
The viewer of scintillation Target Tracker
n beam
side view
interaction ECC -> pink color
VARIABLE
AVERAGE
Selection criteria
kink (mrad)
41 ± 2
>20
decay length
(mm)
1335 ± 35
within 2 lead
plates
P daughter
(GeV/c)
12 +6-3
>2
Pt (MeV/c)
470 +230-120
>300 (g attached)
missing Pt
(MeV/c)
570 +320-170
<1000
 (deg)
173 ± 2
>90
49
nm  nt oscillation search
2nd nt candidate
2000 mm
2-prong n interaction with one track
showing a secondary vertex
compatible with the hypothesis of
t- h+ h- h- nt
50
nm  nt oscillation search
Event kinematics
2nd nt candidate
Decay in Base.
All track were identified as hadron .
2 tracks : hadron interaction was located
2 tracks : range and momentum inconsistent
51
飛跡読み取り装置高速化
HTS
目標読み取り速度
３000m2/year
現行SUTS×100
現在、SUTS×8の速度で実際のOPERA用フィルムでチューニング中。
52
宇宙物質起源ワークショップ@名古屋大学
春よりOPERAのCSスキャンに投入する見込み。
レンズと撮像素子
HTS用
一般的な
顕微鏡用
視野サイズを従来の500倍にするた
めの巨大レンズ
（5mm)2
視野
2Mpixelの撮像素子を12個搭載したモ
ザイクカメラ
0.15mm×0.12mm
53
Readout by huge objective lens !
Field of view
5.1×4.9 mm2
pixel size at object
0.45mm (120Mpixel/FOV)
Readout speed
0.10 sec /16depth/FOV -> >300fps
Scanning speed
9000cm2/h
1
4
2
5
3
6
Current SUTS FOV
5mm
視野
54
まとめ
OPERAはニュートリノ振動の明確な証拠、nm  nt 振動からのnt の出現をとらえる
ことを目的とし、高分解能である原子核乾板を用いた鉛ECCを使用している。
2013年12月に5年間の照射（1.79×1020 P.O.T. 相当）を終えた。

nt 出現検出期待値・・・～5個、BG期待値～0.5 である。
2012年6月（ NEUTRINO 2012 ）の時点で4126個のニュートリノ反応点の集団の中から
振動により出現したnt の反応候補2例を検出した。
その後、2013年1月末までに特定した反応点は合計5675個である。
NEUTRINO 2012での発表以降のデータセットの解析結果は2013年春の
学会にて発表する。
SUTSの100倍の速度を目指して開発中の新スキャニングシステムHTSは現在、
SUTの8倍の速度でテストスキャン、チューニング中、2013年春よりCSスキャンに
投入する。残ったCSの解析を今年中に終わらせる能力を現在持っている。